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一种通用系统,用于解码通过网络发送的任何类型的数据

时间:2021-09-14

综合视点

导读:从电子邮件中的段落到虚拟现实环境中的3D图形,在互联网上传输的每一条数据都可能会被途中遇到的噪音所改变,例如来自微波或蓝牙设备的电磁干扰。对数据进行编码......

从电子邮件中的段落到虚拟现实环境中的3D图形,在互联网上传输的每一条数据都可能会被途中遇到的噪音所改变,例如来自微波或蓝牙设备的电磁干扰。对数据进行编码,以便当它们到达目的地时,解码算法可以消除噪声的负面影响并检索原始数据。

自20世纪50年代以来,大多数纠错码和解码算法都是一起设计的。每个代码都有一个与特定的、高度复杂的解码算法相对应的结构,这通常需要使用专用硬件。

麻省理工学院(MIT)、波士顿大学(Boston University)和爱尔兰梅诺思大学(Maynooth University)的研究人员现在已经发明了第一种硅芯片,它能够使用一种称为猜测随机加性噪声解码(GRAND)的通用解码算法,以最大的精度解码任何代码,而不管其结构如何。通过消除对多个计算复杂解码器的需求,GRAND实现了更高的效率,可应用于增强和虚拟现实、游戏、5G网络以及依赖于以最小延迟处理大量数据的连接设备。

关注噪音

将这些代码视为添加到原始数据末尾的冗余散列(在本例中,是一系列1和0)。创建该散列的规则存储在特定的码本中。

当编码数据通过网络传输时,它们会受到噪声或干扰信号的能量的影响,而干扰信号通常是由其他电子设备产生的。当编码数据和影响它们的噪声到达目的地时,解码算法参考其码本并使用散列结构来猜测存储的信息是什么。

相反,GRAND通过猜测影响消息的噪声来工作,并使用噪声模式来推断原始信息。GRAND按可能出现的顺序生成一系列噪声序列,从接收到的数据中减去它们,并检查产生的码字是否在码本中。

虽然噪声在本质上是随机的,但它有一个概率结构,允许算法猜测它可能是什么。

“在某种程度上,这类似于故障排除。如果有人把车开进商店,机械师不会从绘制整个汽车的蓝图开始。相反,他们会问,‘最有可能出问题的是什么?’也许只是需要汽油。如果这不起作用,接下来会发生什么?也许电池没电了?”梅达德说。

新型硬件

GRAND芯片采用三层结构,在第一阶段采用最简单的解决方案,在随后的两个阶段采用更长更复杂的噪声模式。每一级独立运行,增加了系统的吞吐量并节省了电力。

该设备还可以在两个码本之间无缝切换。它包含两个静态随机存取内存芯片,一个可以破解码字,另一个加载新的码本,然后切换到解码,而不需要任何停机时间。

研究人员对GRAND芯片进行了测试,发现它可以有效地解码任何长度高达128位的中等冗余代码,只需大约一微秒的延迟。

Médard和她的合作者此前已经证明了该算法的成功,但这项新工作首次在硬件上展示了GRAND的有效性和效率。

Médard说,开发新型解码算法的硬件需要研究人员首先抛弃他们的先入为主的观念。

“我们不能走出去重复使用已经完成的东西。这就像一个完整的白板。我们必须从零开始真正思考每一个组件。这是一个重新思考的过程。我认为,当我们做下一个芯片时,我们会意识到我们做第一个芯片是出于习惯或假设,我们可以做得更好,”她说。

未来的芯片

由于GRAND仅使用码本进行验证,因此该芯片不仅可用于遗留代码,还可用于尚未引入的代码。

在5G实施之前,*管机构和通信公司努力就新网络应使用哪些代码达成共识。*管机构最终选择在不同情况下对5G基础设施使用两种传统代码。Médard说,使用GRAND可以在未来消除这种僵化标准化的需要。

大芯片甚至可以打开编码领域的创新浪潮。

她说:“出于我不太确定的原因,人们对编码充满敬畏,就像它是一种黑魔法。这个过程在数学上很糟糕,所以人们只使用已经存在的代码。我希望这将重新引发讨论,使它不那么以标准为导向,使人们能够使用已经存在的代码并创建新的代码。”

继续前进,梅达德和她的合作者计划用一种改进版的大芯片解决软检测问题。在软检测中,接收到的数据精度较低。

他们还计划测试GRAND破解更长、更复杂代码的能力,并调整硅芯片的结构以提高其能效。

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